扫描电镜内原位纳米压痕测试装置

本技术涉及机电一体化的精密科学仪器领域，具体涉及一种扫描电镜内原位纳米压痕测试装置。

背景技术：

1、随着科技朝着精密化、智能化、微型化的方向快速发展，对材料的微观力学性能的要求越来越高，而传统的力学性能测试技术难以发现材料微观变形和损伤机制，因此随着科学技术的发展和电子显微学技术的进步，原位纳米压痕测试技术应用而生。纳米压痕测试技术是指具有一定形状的坚硬压头对材料表面进行加载、卸载并记录位移和载荷的变化,从而获得材料的硬度、弹性模量等一系列力学性能指标的方法。原位纳米压痕测试是近几年在离位纳米压痕测试的基础上发展的新技术，通过改变离位纳米压痕仪器的结构、布局等，使其小型化，能够在空间受限的扫描电镜内进行压痕测试，实现在线观测压头诱导被测材料表面产生凸起、凹陷、裂纹、碎屑等，在材料科学、金属、薄膜、生物医学工程等领域有重要的科学意义和广泛的应用前景。

2、相比离位纳米压痕测试技术，原位纳米压痕测试能够获得更多材料的变形过程和损伤机理等信息。但合格的原位纳米压痕测试装置面临诸多挑战，在保证仪器小型化的同时，很难拥有较高的分辨率、仪器稳定准确性、真空兼容性、电磁兼容性等性能，因此研发出一款小型化、精度高、兼容性好的原位纳米压痕测试装置具有重大意义。

技术实现思路

1、本实用新型的目的在于提出一种扫描电镜内原位纳米压痕测试装置，以解决上述背景技术中提出的问题。

2、为实现上述目的，本实用新型提供如下技术方案：

3、一种扫描电镜内原位纳米压痕测试装置，包括：

4、精密压入驱动-位移集成单元、精密压入力检测单元、xy轴压电精密定位平台、z轴压电精密定位平台和底座。其中精密压入驱动-位移集成单元安装在z轴压电精密定位平台上，精密压入力检测单元安装在xy轴压电精密定位平台上，z轴压电精密定位平台和xy轴压电精密定位平台均安装在底座上。

5、作为优选，所述的精密压入驱动-位移集成单元由紧固螺钉、连接板、压电陶瓷促动器、压头套筒、压头、螺钉组成，压头通过螺钉固定在压头套筒内，压头套筒连接在压电陶瓷促动器的头部，压电陶瓷促动器尾部通过紧固螺钉固定在连接板上，连接板安装在z轴压电精密定位平台上。

6、作为优选，所述的精密压入力检测单元由载物台、力传感器、过渡板组成，载物台固定在力传感器的一端，力传感器的另一端使用过渡板固定在xy轴压电精密定位平台上。

7、作为优选，所述的z轴压电精密定位平台由导轨滑块组件、压电叠堆、楔形块、柔性铰链组成，压电叠堆使用楔形块预紧在柔性铰链上，柔性铰链和导轨滑块组件均安装在底座上。

8、作为优选，所述的底座是呈l形的整体式结构，且留有9孔方便安装在扫描电镜内的载物台上。

9、作为优选，所述的xy轴压电精密定位平台是两个z轴压电精密定位平台使用过渡板呈90°交错安装组成。

10、本实用新型的有益效果为：

11、(1)本实用新型所提出的一种扫描电镜内原位纳米压痕测试装置结构新颖、小型化，整体尺寸仅为53mm×56.5mm×130mm，能与扫描电镜配套使用，原位观测压痕测试过程中被测材料的变形过程和损伤机理。

12、(2)本实用新型所提出的一种扫描电镜内原位纳米压痕测试装置兼容性良好，在真空、电磁干扰环境下性能稳定。

13、(3)本实用新型所提出的一种扫描电镜内原位纳米压痕测试装置精度高，力传感器噪声优于20微牛，分辨率优于10微牛，位移传感器噪声优于3纳米，分辨率优于2纳米，测试结果准确。

14、(4)本实用新型所提出的一种扫描电镜内原位纳米压痕测试装置定位精度高、定位范围大，xyz轴三个方向均能实现±6mm的量程，能定位到所需位置进行原位压痕测试。

技术特征：

1.一种扫描电镜内原位纳米压痕测试装置，其特征在于：该装置包括精密压入驱动-位移集成单元(1)、精密压入力检测单元(2)、xy轴压电精密定位平台(3)、z轴压电精密定位平台(4)和底座(5)，精密压入驱动-位移集成单元(1)安装在z轴压电精密定位平台(4)上，精密压入力检测单元(2)安装在xy轴压电精密定位平台(3)上，z轴压电精密定位平台(4)和xy轴压电精密定位平台(3)均安装在底座(5)上。

2.根据权利要求1所述的扫描电镜内原位纳米压痕测试装置，其特征在于：所述的精密压入驱动-位移集成单元(1)包括紧固螺钉(101)、连接板(102)、压电陶瓷促动器(103)、压头套筒(104)、压头(105)、螺钉(106)，压头(105)通过螺钉(106)固定在压头套筒(104)内，压头套筒(104)连接在压电陶瓷促动器(103)的头部，压电陶瓷促动器(103)尾部通过紧固螺钉(101)固定在连接板(102)上，连接板(102)安装在z轴压电精密定位平台(4)上。

3.根据权利要求1所述的扫描电镜内原位纳米压痕测试装置，其特征在于：所述的精密压入力检测单元(2)包括载物台(201)、力传感器(202)、过渡板(203)，载物台(201)固定在力传感器(202)的一端，力传感器(202)的另一端使用过渡板(203)固定在xy轴压电精密定位平台(3)上。

4.根据权利要求1所述的扫描电镜内原位纳米压痕测试装置，其特征在于：所述的z轴压电精密定位平台(4)包括导轨滑块组件(401)、压电叠堆(402)、楔形块(403)、柔性铰链(404)，压电叠堆(402)使用楔形块(403)预紧在柔性铰链(404)上，柔性铰链(404)和导轨滑块组件(401)均安装在底座(5)上。

5.根据权利要求1所述的扫描电镜内原位纳米压痕测试装置，其特征在于：所述的底座(5)是呈l形的整体式结构，留有9孔方便安装在扫描电镜内的载物台上。

6.根据权利要求1所述的扫描电镜内原位纳米压痕测试装置，其特征在于：所述的扫描电镜内原位纳米压痕测试装置整体三维尺寸为53mm×56.5mm×130mm。

技术总结
本技术涉及一种扫描电镜内原位纳米压痕测试装置，属于机电一体化精密仪器领域。测试装置由精密压入驱动‑位移集成单元、精密压入力检测单元、XY轴压电精密定位平台、Z轴压电精密定位平台和底座组成。精密压入驱动‑位移集成单元安装在Z轴压电精密定位平台上，精密压入力检测单元安装在XY轴压电精密定位平台上，Z轴压电精密定位和XY轴压电精密定位平台均安装在底座上。优点在于：装置结构新颖、小型化、精度高、兼容性好、定位范围大，可与扫描电镜配合使用原位观测压头压入压出过程中被测材料的变形过程和损伤机理。

技术研发人员：黄虎,刘仁霖,魏大禹,吴浩翔,李轩,苏文杰
受保护的技术使用者：吉林大学
技术研发日：20230330
技术公布日：2024/1/13